Genetica dei microorganismi

La genetica batterica

I batteri causano svariate patologie, ma se si contano le cellule presenti nel nostro organismo possiamo notare come la quantità di batteri sia maggiore rispetto al numero delle cellule. Potremmo quindi considerarci una colonia di batteri, per questo possiamo dire che i batteri siano rilevanti per la salute dell’uomo.

Fino a pochi anni fa si credeva che per ogni cellula del nostro organismo ci fossero dieci batteri, ma si scoprì che non è assolutamente così. Per microbiota si intende la popolazione di microorganismi, ovvero batteri, funghi, protozoi e virus, che colonizza un ambiente o un organismo in un determinato tempo. Per microbioma si intende invece la totalità del patrimonio genetico espresso dal microbiota.

Vantaggi dello studio genetico sui batteri

La genetica ha fatto dei passi da gigante proprio grazie allo studio dei batteri, infatti l’analisi genetica sui batteri presenta una serie di vantaggi rispetto a quella su piante e animali multicellulari:

• Nei batteri, ogni nuova generazione è prodotta nel giro di minuti piuttosto che in settimane o mesi.
• I batteri sono facili ed economici da propagare in numero molto elevato in condizioni controllate in laboratorio (ad esempio un batterio viene a costare meno rispetto ad un elefante ed è anche più facile studiarlo).
• I singoli individui delle popolazioni di batteri sono geneticamente identici tra loro, perché ogni popolazione è un clone di cellule geneticamente identiche.

Gran parte dell’informazione genetica dei batteri è contenuta in un’unica molecola di DNA circolare, è quindi presente un unico cromosoma batterico, lungo alcuni milioni di nucleotidi (pari a circa 1 mm) e codifica per alcune migliaia di geni. Il cromosoma si addensa in una struttura detta nucleoide, il quale non è confinato all’interno di un nucleo. Il DNA è connesso ad alcune introflessioni della membrana dette mesosomi.

Escherichia coli

In particolare, parleremo del batterio denominato Escherichia coli, ovvero uno dei batteri che vive nella parte inferiore dell’intestino di animali a sangue caldo, come uccelli e mammiferi, tra cui l’uomo. Costituisce infatti una parte fondamentale della flora intestinale dell’uomo. È necessario per la digestione corretta del cibo e per la produzione di vitamine del complesso B e K. È un microorganismo a forma di bastoncello, è un batterio gram negativo, non è sporigeno (non produce quindi spore) e cresce alla temperatura di 37°C, ovvero quella del corpo umano. Ha un genoma circolare, come tipico dei batteri, che codifica per circa 4300 geni.

La crescita batterica

Si possono far crescere i batteri in laboratorio molto velocemente, in terreno liquido o sulla superficie di terreni solidi in “capsule petri”. Una cellula di E. coli, in condizioni ottimali, si può dividere ogni 20 minuti. Una colonia liquida di batteri contiene circa 10⁹ batteri per ml.

Mutanti batterici

L’analisi genetica dei batteri richiede l’analisi di mutanti, di cui tre tipologie sono particolarmente utili:

• Mutanti per la resistenza agli antibiotici - Sono capaci di crescere in presenza di un antibiotico, come l’ampicillina (Amp) o la tetraciclina (Tet). Ad esempio, il ceppo batterico sensibile alla tetraciclina, ovvero E. coli Tet-s, ha il fenotipo selvatico ed è incapace di crescere su un terreno contenente tale antibiotico, mentre il ceppo mutante resistente, ovvero Tet-r, può crescere e formare colonie anche in presenza dell’antibiotico.
• Mutanti per la sorgente di carbonio - Sono batteri che per crescere hanno bisogno di una sorgente di carbonio, in particolare necessitano di zuccheri. Infatti, sono incapaci di utilizzare alcuni substrati come fonte di carbonio. Ad esempio, i batteri Lac^-, non sono in grado di crescere su un terreno-minimo contenente solo lattosio come fonte di carbonio, mentre saranno in grado di farlo su un terreno minimo più glucosio, ovvero la più semplice fonte di carbonio per la crescita batterica. I batteri selvatici possono utilizzare anche fonti di carbonio alternative, mentre altri mutanti perdono tale capacità.
• Mutanti nutrizionali o auxotrofi - I batteri selvatici sono in grado di sintetizzare, a partire da molecole semplici presenti nel terreno di crescita, la maggior parte delle sostanze complesse, come vitamine, amminoacidi e nucleotidi, di cui hanno bisogno. I batteri selvatici sono detti prototrofi e possono crescere su un terreno minimo, ovvero contenete solamente una fonte di carbonio organico e sali minerali. In seguito a mutazioni si possono generare dei ceppi di batteri incapaci di sintetizzare un nutriente essenziale (come ad esempio l’amminoacido leucina), tali ceppi non sono quindi in grado di crescere su un terreno minimo, a meno che tale nutriente non sia aggiunto nel terreno di coltura; in questo caso i batteri sono detti auxotrofi.

Nomenclatura di fenotipi e genotipi mutanti

Per quanto riguarda la nomenclatura dei fenotipi e dei genotipi mutanti:

• Fenotipo: viene indicato con tre lettere, la prima delle quali è maiuscola, con apice + o – per indicare la presenza o meno di quel particolare fenotipo, oppure con la lettera s (sensibilità) oppure r (resistenza), ad esempio nei confronti di un antibiotico.
• Genotipo: è indicato con le 3 lettere ma scritte in corsivo minuscolo. Ad esempio, una cellula auxotrofa, in quanto incapace di crescere su un terreno minimo privo di leucina, avrà un fenotipo Leu^- e un genotipo leu^-.

Terreno selettivo e non selettivo

Un terreno in cui tutte le cellule batteriche in esame sono capaci di formare colonie è definito terreno non selettivo, mentre un terreno che permette la crescita di un solo tipo di cellula, sia selvatica che mutante, è detto terreno selettivo.

I plasmidi

Sono delle molecole di DNA definite non essenziali presenti all’interno delle cellule batteriche, sono delle molecole che si replicano indipendentemente dal genoma batterico e segregano nella progenie durante la divisione cellulare. Infatti, quando la cellula si divide replica sia il proprio DNA che quello plasmidico. Tipicamente hanno una dimensione inferiore a quella del cromosoma batterico. La maggior parte dei plasmidi presentano molecole di DNA circolari ma esistono anche molecole plasmidiche lineari. Alcuni plasmidi possono avere 50 e più copie all’interno di una cellula, altri invece hanno solamente una o due copie nella cellula.

La numerosità dei plasmidi contenuti in una cellula batterica è variabile, dipende infatti dalla loro dimensione: tipicamente i plasmidi con dimensioni maggiori (attorno ai centomila nucleotidi) sono presenti in una bassa quantità, mentre i plasmidi con piccole dimensioni (ovvero poche migliaia di nucleotidi) sono presenti in circa 50/100 copie, quindi in quantità maggiori. Alcuni plasmidi attribuiscono un determinato fenotipo alle cellule batteriche che li ospitano, ad esempio la resistenza a un antibiotico.

Rilevazione dei plasmidi

Domanda: Come capire se in un batterio è presente un plasmide?

È possibile rilevare la presenza dei plasmidi tramite microscopia elettronica o, più comunemente, tramite l’analisi elettroforetica su gel di agarosio del DNA batterico, procedimento che permette di separare il DNA in base alle dimensioni. Tipicamente si estrae il DNA batterico tramite dei protocolli ben precisi, i quali fanno in modo che venga estratto selettivamente il DNA a basso peso molecolare, ciò significa che viene recuperato solamente l’eventuale DNA plasmidico.

Per la propria replicazione i plasmidi utilizzano gli enzimi coinvolti nella replicazione del DNA batterico, ma l’inizio della loro replicazione è regolata da sequenze proprie del plasmide, dette ori (che significa origine di replicazione), che possono anche codificare per proteine utili alla replicazione del DNA plasmidico. Nei plasmidi presenti in un alto numero di copie nella cellula batterica, la replicazione del DNA ha inizio più volte per ogni ciclo di replicazione del cromosoma batterico, ciò significa che mentre il cromosoma batterico si riproduce una sola volta per ogni ciclo cellulare, i plasmidi si replicano molte più volte, all’interno di uno stesso ciclo cellulare rispetto al DNA batterico, questo perché i plasmidi devono mantenere un elevato numero di copie nelle cellule figlie.

Episomi

Alcuni plasmidi possono inserirsi nel cromosoma batterico, questa tipologia di plasmidi prende il nome di episomi. In queste condizioni il plasmide non si replica più indipendentemente, ma lo fa in sincronia con il cromosoma batterico stesso. Un episoma, così come è in grado di unirsi al cromosoma batterico, riesce anche a distaccarsi dal cromosoma batterico e tornare alla sua replicazione autonoma. È proprio questa caratteristica dei plasmidi che fa in modo che si creino così tante tipologie di batteri con altrettante resistenze agli antibiotici.

La sessualità nei batteri

La sessualità nei batteri può sembrare un argomento ad interesse specialistico, ma in realtà è un fenomeno con una rilevanza molto elevata, in quanto le ricerche su questo argomento hanno dato origine alla genetica molecolare, ovvero una disciplina molto importante per gli studi in ambito biomedico. Queste ricerche hanno reso possibili l’ingegneria genetica. Lo studio di ciò che avviene nei batteri ha dato la chiave interpretativa per comprendere meglio il ruolo della sessualità degli organismi viventi più complessi, sono infatti stati studiati i meccanismi di replicazione del DNA nei batteri e si è notato come spesso siano presenti procedimenti simili anche nelle cellule eucariotiche. La sessualità batterica rende inoltre possibile la comprensione dei meccanismi genetici presenti alla base della resistenza degli antibiotici nei batteri patogeni.

La resistenza agli antibiotici

Un’elevata percentuale di batteri isolati da infezioni cliniche è resistente a uno o più antibiotici. Si sa inoltre che molti antibiotici che una volta erano efficaci contro dei determinati batteri ora sono diventati quasi inefficaci, questo perché i batteri hanno sviluppato la resistenza agli antibiotici. La resistenza agli antibiotici è però una problematica molto importante. Infatti, ogni anno, ad esempio, negli Stati Uniti, almeno 2 milioni di persone vengono infettate da batteri resistenti agli antibiotici e almeno 23.000 persone muoiono di conseguenza. La diffusione di geni di resistenza agli antibiotici non è solitamente dovuta a nuove mutazioni nel genoma batterico, ma a geni acquisiti mediante un DNA mobile. I batteri hanno infatti diverse strategie per passarsi gli uni con gli altri delle sequenze di DNA, le quali possono contenere dei geni che codificano per la resistenza agli antibiotici. (Nel 2019 l’Italia era prima in Europa per i decessi da batteri antibiotico-resistenti).

Principali meccanismi di antibiotico-resistenza

• Ridotta affinità per il bersaglio - Il gene che produce il bersaglio dell’antibiotico subisce una piccola mutazione, tale per cui il bersaglio continua a funzionare anche se con una funzionalità ridotta, ma non interagisce più con l’antibiotico, di conseguenza l’antibiotico non ha più effetto.
• Iperproduzione del bersaglio - Il gene che produce il bersaglio dell’antibiotico subisce una mutazione tale per cui il bersaglio viene sovra espresso.
• Inattivazione intracellulare dell’antibiotico - Provocata dalla produzione di enzimi che inattivano l’antibiotico, ad esempio la beta lattamasi.